WO2013127385A1 - Verfahren zur herstellung einer dünnen si-absorberschicht, dünnschicht-silizium-absorber und seine verwendung - Google Patents

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absorber
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seed layer
crystallized
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Norbert Nickel
Manfred Schmidt
Tim Schulze
Moshe Weizman
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Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thin Si absorber layer, a thin-film silicon absorber and its
  • LLC Laser Laser Crystallization
  • Aluminum electrode layer applied which serves as a back reflector and simultaneously with the rough emitter strongly scattering acts. This is a "light trapping" structure created and the absorber layer can be limited to a few ⁇ in their thickness.
  • the absorber layer can be limited to a few ⁇ in their thickness.
  • Recrystallization of amorphous precursor layers in addition to the possibility mentioned by means of laser beam also recrystallization means
  • the SiC: B layer serves as
  • a polycrystalline Si layer is produced by a zone melting method of an amorphous Si layer by means of electron beam.
  • the recrystallized layer which is now coarse-grained and polycrystalline and serves as a seed layer, is reinforced to the desired thickness in a subsequent epitaxy process.
  • an iron silicide layer is epitaxially grown on the recrystallized in the first step by means of electron beam amorphous and thus generated coarsely crystalline Si layer, which by suitable power input, substrate preheating and
  • Pulling rate receives a ⁇ 111> preference orientation.
  • the effect of preferential orientation of the grains of a polycrystalline Si thin film, especially for photovoltaic applications, is described in Thin Solid Films 516, 6989-6993 (2008), such that a (100) Preferential orientation is a good prerequisite for a better epitaxial thickening of the polycrystalline Si film.
  • Thin-film solar cells mainly by the size and orientation of the grains of the coarsely crystalline Si layer is determined.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for producing a thin Si absorber layer in which the electronic properties of the absorber layer can be influenced by adjusting the size and preferred orientation of the polycrystalline coarse-grained Si absorber layer, which enables an implementation of effective light capture structures and the easier and more scalable compared to known methods.
  • the object is solved by the features of independent claims 1 or 2.
  • the method according to the invention for producing a thin Si absorber layer has at least the following method steps:
  • the surprisingly obtained result is exploited, regardless of the type of deposition of the a-Si layer and below lying substrate - in the crystallization process Si grains of a (100) - preferred orientation in an applied
  • Crystallization is known to those skilled in the art.
  • a large-grained polycrystalline Si layer is formed, which still has the orientation information of the seed layer and is predominantly (100) oriented.
  • the second crystallization step can either be realized in that the layer stack is only partially melted, so that the seed layer is retained, or by the fact that the layer stack - ie absorber layer and seed layer - is completely melted and by the set pulling rate, the orientation information from the already solidified Regions of the melt, ie behind the crystallization front, is retained in the lateral movement.
  • the relatively large thickness in comparison with known from the prior art, in which the absorber layer is deposited, allows the
  • the a-Si seed layer is applied by means of CVD or PVD.
  • the application of the a-Si- seed layer is not limited to the mentioned methods.
  • the crystallization of the seed layer is done with a cw or pulsed
  • the a-Si absorber layer is guided by means of a laterally over the layer
  • an additional layer acting as a diffusion barrier and / or contact layer and / or dopant source with a thickness of between 5 nm and 500 nm can be deposited on the substrate prior to the application of an a-Si layer to produce a seed layer.
  • an additional layer acting as a diffusion barrier and / or contact layer and / or dopant source with a thickness of between 5 nm and 500 nm can be deposited on the substrate prior to the application of an a-Si layer to produce a seed layer.
  • Layer is in particular amorphous silicon carbon or silicon carbide Sii -x C x with 0 ⁇ x ⁇ 1 or silicon nitride (SiN x ) used, optionally undoped or doped with at least one of the following elements: boron, phosphorus, aluminum, antimony, arsenic or indum ,
  • the substrate is a film, at least one of the following elements: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W or Ta, or a mixture comprising at least one of the following elements: C, N or O and at least one of the following metals such as Fe, Ni, Ti or Al in different proportions.
  • crystallized absorber layer by means of an etching process with a KOH / Isopropanol solution structured, which can be subsequently cleaned and / or planarized.
  • a heterostructure emitter of amorphous silicon (a: Si: H) can be applied.
  • a TCO layer is deposited, which guarantees the lateral conductivity on the front side of the solar cell. If the seed layer and the absorber layer are crystallized by means of electron beam, then in a further embodiment the temperature of the molten layer is determined by measuring the color temperature of the
  • This signal can be used as a controlled variable, so that even without detailed knowledge of the
  • Sample parameters such as thickness and type of substrate or thickness of the applied Si layer precise control of the recrystallization and thus the grain size is possible.
  • the invention also relates to a thin-film Si absorber having a thickness between 5 ⁇ and 15 ⁇ , formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (100) -Vorzugsorienttechnik, wherein the grains have a size up to the thickness of the absorber layer, and arranged on the surface
  • Light capture structures producible by the following method steps: producing a Si seed layer on a substrate by applying a 20 nm to 40 nm thick a-Si layer and crystallizing this layer by means of a melting process such that coarse Si grains of a preferred orientation ( 100), subsequent deposition of a 5 ⁇ to 15 ⁇ thick a-Si absorber layer on the coarse-grained
  • Seed layer which is then at least partially melted and crystallized in a single step, that are formed in the Si absorber layer compared to the seed layer enlarged Si grains of a preferred orientation (100), and final texturing of the enlarged grains of the (100 preferred orientation having Si absorber layer.
  • the invention also includes a thin-film Si absorber having a thickness of between 5 ⁇ m and 15 ⁇ m, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (1 1 1) preferred orientation.
  • a thin-film Si absorber having a thickness of between 5 ⁇ m and 15 ⁇ m, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (1 1 1) preferred orientation.
  • the sole and most important difference to the previously described thin-film Si absorber is the application of a> 40 nm thick a-Si seed layer and its crystallization resulting in the formation of an Si seed layer with grains having a (1 1 1) preferred orientation. which are then enlarged in the subsequent step and transmit the information about their orientation to the absorber layer.
  • the invention further comprises the use of the thin-film Si absorber produced by the described method, comprising at least one textured Si absorber layer having a thickness between 5 and 15 ⁇ m, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (100) preferred orientation, for producing a solar cell wherein the solar cell is formed as a p / n or n / p structure and / or in a substrate or superstrate configuration and / or has a diffused emitter or a hetero-emitter.
  • Show 1 shows schematically the morphology of the grains in the seed layer in FIG.
  • FIG. 2 Texture content in the seed layer after crystallization as a function of the thickness of the applied a-Si layer.
  • amorphous Si layer On a glass substrate is a 30 nm thick amorphous Si layer as
  • Seed layer applied. This seed layer is crystallized by laser, wherein the layer of a pulsed UV excimer laser with a
  • Fig. 1 Conditions for a "Super Lateral Growth” (SLG) are shown in Fig. 1.
  • the morphology of the grains in the seed layer is shown schematically as a function of the number of laser pulses in Fig. 1.
  • the first pulse the complete a-Si layer melts
  • the second pulse then encounters a poly-Si layer, small unmelted islands appear at the substrate / silicon interface, which serve as nuclei for the grains and the formation of the structure with small and randomly oriented grains 30, the result is a mixture of randomly oriented and larger, preferably oriented grains
  • Si grains with a (100) preferred orientation are formed, followed by a 12 m thick CVD process on this seed layer amorphous absorber layer
  • this layer is then melted to increase the (100) -oriented grains.
  • Electron beam is passed over the sample at a pulling speed greater than 6 mm / s, the energy input is 0.4 to 1.6 J / mm 2 . If the
  • the lattice information of the crystallized seed layer is used to obtain the (100) - preferred orientation over the entire thickness of the absorber layer. Since the absorber layer has a sufficiently large thickness, light trapping structures in the form of
  • Etched random pyramids For the well-known for wafer solar cells standard process of a KOH / isopropanol solution is used. The after the KOH texturing present surface now offers optimal conditions for the subsequent deposition of a heterostructure emitter of amorphous silicon (a-Si: C). This a-Si: H layer is applied in a thickness of about 5 nm. Finally, a TCO layer in a thickness of about 80 nm is deposited thereon, whereby the solar cell is completed.
  • a-Si: C amorphous silicon

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Abstract

Das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht umfasst mindestens die Verfahrensschritte: Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a-Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm oder > 40 nm aufgebracht und anschließend derart kristallisiert wird, dass im ersten Fall in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)-Vorzugsorientierung und im zweiten Fall in der Saatschicht Si-Körner mit einer (111)-Vorzugsorientierung ausgebildet werden, anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die nunmehr Körner mit einer Vorzugsrichtung aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausgebildet werden, und abschließende Strukturierung der Oberfläche der Si-Absorberschicht.

Description

Bezeichnung
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht, Dünnschicht- Silizium-Absorber und seine Verwendung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si- Absorberschicht, einen Dünnschicht-Silizium-Absorber und seine
Verwendung.
Dem Stand der Technik nach ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung dünner Absorborberschichten, insbesondere polykristalliner Si-Schichten, bekannt, die mindestens einen Verfahrensschritt zur Rekristallisation einer a- Si-Schicht aufweisen.
So ist ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Si-Dünnschicht- Solarzelle im IHPT Jena entwickelt worden, was u. a. beschrieben ist in FVS · PV-UNI-NETZ/Workshop 2003/Poster M/S. 170-177 oder in 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1 -5 September 2008, Valencia, Spain, pp. 2194-2198 oder in DE 100 42 733 A1. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird zunächst eine dünne amorphe Si-Schicht auf Glas
abgeschieden, die anschließend mit einem gescannten cw-Laser kristallisiert wird. Hierbei entstehen Körner mit Abmessungen von über 10 μιη. Auf diese grobkörnige Keimschicht wird zur Erzeugung einer Absorberschicht von einigen μιη Dicke kontinuierlich weiter p-dotiertes Silizium epitaktisch abgeschieden und bei Erreichen einer Schichtdicke von 30 bis 50 nm jeweils wieder mittels Laserstrahl (Excimerlaser) aufgeschmolzen, d.h. Teilschicht für Teilschicht wird nacheinander aufgebracht und rekristallisiert. Diese
Technologie wird als LLC (Layered Laser Crystallization) bezeichnet.
Anschließend wird eine feinkörnige Emitterschicht aufgebracht, die eine natürliche Oberflächenrauigkeit aufweist. Auf diesen Emitter wird eine
Aluminium-Elektrodenschicht aufgebracht, die als Rückreflektor dient und gleichzeitig mit dem rauen Emitter stark streuend wirkt. Damit ist eine„light trapping'-Struktur entstanden und die Absorberschicht ist auf wenige μητι in ihrer Dicke begrenzbar. Allgemein aus dem Stand der Technik bekannt ist zur großflächigen
Rekristallisation von amorphen Precursor-Schichten neben der erwähnten Möglichkeit mittels Laserstrahl auch eine Rekristallisation mittels
Elektronenstrahl. Ein derartiges Rekristallisationsverfahren ist in Progr. Photovolt: Res. Appl. (2011 ); DOI: 101002/pip beschrieben, wobei auf einer auf einem Glassubstrat befindlichen SiC:B-Schicht ein polykrystalliner Silizium-Absorber mit ca. 10 μητι Dicke und 1 x 10 mm2 großen Körnern dadurch erzeugt wird, dass auf die SiC:B-Schicht mittels LPCVD (low pressure chemical vapour deposition) eine 8 bis 13 μητι dicke amorphe Si-Schicht abgeschieden und mittels
Elektronenstrahl rekristallisiert wird. Die SiC:B-Schicht dient als
Diffusionsbarriere, Kontaktschicht oder Dotierquelle
Auch in DE 42 29 702 C2 und WO 95/20694 wird eine polykristalline Si- Schicht durch ein Zonenschmelzverfahren einer amorphen Si-Schicht mittels Elektronenstrahl erzeugt. In der Lösung, die in WO 95/20694 beschrieben ist, wird die rekristallisierte Schicht, die nunmehr grobkörnig und polykristallin ist und als Keimschicht dient, in einem nachfolgenden Epitaxieverfahren bis zur gewünschten Dicke verstärkt. In DE 42 29 702 C2 wird auf die im ersten Schritt mittels Elektronenstrahl rekristallisierte amorphe und damit erzeugte grobkristalline Si-Schicht eine Eisensilizidschicht epitaktisch aufgewachsen, die durch geeigneten Leistungseintrag, Substratvorheizung und
Ziehgeschwindigkeit eine <111 > Vorzugsorientierung erhält. Die Wirkung einer Vorzugsorientierung der Körner eines polykristallinen Si- Dünnschichtfilms - insbesondere für photovoltaische Anwendungen - wird in Thin Solid Films 516, 6989-6993 (2008) so beschrieben, dass eine (100) Vorzugsorientierung eine gute Voraussetzung für eine bessere epitaktische Verdickung des polykristallinen Si-Films darstellt.
Über entstehende Vorzugsorientierungen von Körnern in polykristallinen Si- Dünnschichten nach der Rekristallisation einer amorphen Si-Schicht mit einem Excimer-Laser mit einer Vielzahl von Laserschüssen auf
unterschiedlichen Substraten wurde in einigen Veröffentlichungen berichtet. So wird beispielsweise in J. Appl. Phys. 89, 5348 (2001 ) oder in J. Appl.Phys. 91, 2969 (2002) das Entstehen einer (111 )-Textur in dem Si-Dünnschichtfilm bzw. in Jpn. J. Appl. Phys. 42, L135-L137 (2003) oder in J. Appl. Phys. 100, 083103 (2006) das Entstehen einer (100)-Textur beschrieben. Bisher konnte nicht geklärt werden, weshalb gerade eine bestimmte Textur in der
rekristallisierten Schicht entsteht. Allgemein bekannt ist, dass die elektronischen Eigenschaften von
polykristallinem Si für die Anwendung von Dünnfilm-Transistoren und
Dünnfilm-Solarzellen hauptsächlich durch die Größe und die Orientierung der Körner der grobkristallinen Si-Schicht bestimmt wird. Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht anzugeben, bei dem über die Einstellung der Größe und der Vorzugsorientierung der polykristallinen grobkörnigen Si-Absorberschicht die elektronischen Eigenschaften der Absorberschicht beeinflussbar sind, das eine Implementierung effektiver Lichteinfangstrukturen ermöglicht und das einfacher und leichter skalierbar im Vergleich zu bekannten Verfahren ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si- Absorberschicht weist mindestens die folgenden Verfahrensschritte auf:
- Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a- Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm aufgebracht und anschließend derart kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)- Vorzugsorientierung ausgebildet werden,
- anschließende Abscheidung einer 5 μιτι bis 15 μιτι dicken a-Si- Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausgebildet werden, und
- abschließende Strukturierung der Oberfläche der die vergrößerten Körner mit (100)- Vorzugsorientierung aufweisenden Si-Absorberschicht.
Wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine > 40nm dicke a-Si-Schicht zur Ausbildung einer Si-Saatschicht aufgebracht, bilden sich bei der
Kristallisation der a-Si-Schicht Si-Körner mit einer (1 11 )-Vorzugsorientierung.
Im ersten Kristallisationsschritt der beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich der Kristallisation der als ersten aufgebrachten und als Saatschicht wirkenden a-Si-Schicht wird das überraschend gewonnene Ergebnis ausgenutzt, dass - unabhängig von der Art des Abscheidens der a- Si-Schicht und vom darunter liegenden Substrat - beim Kristallisationsprozess Si-Körner einer (100)- Vorzugsorientierung bei einer aufgebrachten
Schichtdicke kleiner als 40 nm oder einer (1 11 )- Vorzugsorientierung bei einer Schichtdicke größer als 40 nm ausgebildet werden. Verfahren zur
Kristallisation sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Im zweiten Kristallisationsschritt entsteht eine großkörnige polykristalline Si- Schicht, die noch die Orientierungsinformation der Saatschicht besitzt und überwiegend (100) orientiert ist. Der zweite Kristallisationsschritt kann entweder dadurch realisiert werden, dass der Schichtstapel nur teilweise aufgeschmolzen wird, so dass die Saatschicht erhalten bleibt, oder dadurch, dass der Schichtstapel - also Absorberschicht und Saatschicht - vollständig aufgeschmolzen wird und durch die eingestellte Ziehgeschwindigkeit die Orientierungsinfonnation aus den bereits erstarrten Bereichen der Schmelze, d.h. hinter der Kristallisationsfront, in der lateralen Bewegung erhalten bleibt. Die relativ große - im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannter - Dicke, in der die Absorberschicht abgeschieden wird, ermöglicht die
Strukturierung der Oberfläche der polykristallinen Si-Absorberschicht zur Erzeugung von„light trapping" Strukturen, da bei diesem Prozess 1 bis 2 μιτι abgetragen werden.
In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die a-Si- Saatschicht mittels CVD oder PVD aufgebracht wird. Das Aufbringen der a-Si- Saatschicht ist nicht auf die genannten Verfahren beschränkt.
Die Kristallisation der Saatschicht wird mit einem cw- oder gepulsten
Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl durchgeführt, die a-Si- Absorberschicht wird mittels eines lateral über die Schicht geführten
Elektronen- oder Laserstrahls kristallisiert.
Als eine optionale Schicht kann vor dem Aufbringen einer a-Si Schicht zur Erzeugung einer Saatschicht eine zusätzliche als Diffusionsbarriere und/oder Kontaktschicht und/oder Dotierstoffquelle wirkende Schicht mit einer Dicke zwischen 5 nm und 500 nm auf dem Substrat abgeschieden werden. Als Material für die vor dem Abscheiden der a-Si-Saatschicht aufgebrachte
Schicht wird insbesondere amorpher Silizium-Kohlenstoff oder Silizuimcarbid Sii-xCx mit 0 < x < 1 oder Siliziumnitrid (SiNx) verwendet, wahlweise undotiert oder mit mindestens einem der folgenden Elemente dotiert: Bor, Phosphor, Aluminium, Antimon, Arsen oder Indum.
In anderen Ausführungsformen wird als Substrat eine Folie, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W oder Ta, oder ein Gemenge, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: C, N oder O sowie mindestens eines der folgenden Metallen wie Fe, Ni, Ti oderAI in unterschiedlichen Anteilen, verwendet wird.
Zur Erhöhung der Lichteinfangstrukturen wird die Oberfläche der
kristallisierten Absorberschicht mittels eines Ätzprozesses mit einer KOH- /Isopropanol-Lösung strukturiert, die anschließend nachgereinigt und/oder planarisiert werden kann.
Auf die texturierte Oberfläche der Absorberschicht kann nun zur
Vervollständigung des Solarzellenaufbaus ein Heterostruktur-Emitter aus amorphem Silizium (a:Si:H) aufgebracht werden. Abschließend wird eine TCO-Schicht deponiert, die die laterale Leitfähigkeit auf der Vorderseite der Solarzelle garantiert. Wird die Saatschicht und die Absorberschicht mittels Elektronenstrahl kristallisiert, so wird in einer weiteren Ausführungsform die Temperatur der aufgeschmolzenen Schicht durch Messung der Farbtemperatur des
Elektronenstrahl-Auftreffpunktes ermittelt. Dieses Signal kann als Regelgröße verwendet werden, so dass auch ohne Detail-Kenntnisse der
Probenparameter wie Dicke und Art des Substrates oder Dicke der aufgebrachten Si-Schicht eine präzise Steuerung der Rekristallisation und damit der Korngröße möglich ist.
Die Erfindung betrifft auch einen Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μιτι und 15 μιτι, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten
Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer 20 nm bis 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Schicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausgebildet werden, anschließende Abscheidung einer 5 μιτι bis 15 μιτι dicken a-Si-Absorberschicht auf die grobkörnige
Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausgebildet werden, und abschließende Texturierung der die vergrößerten Körner der (100-Vorzugsorientierung aufweisenden Si- Absorberschicht.
Die Erfindung umfasst auch einen Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μηι und 15 [im, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (1 1 1 )-Vorzugsorientierung. Einziger und wichtigster Unterschied zum vorher beschriebenen Dünnschicht-Si-Absorber ist das Aufbringen einer > 40 nm dicken a-Si Saatschicht und deren Kristallisation mit dem Ergebnis der Ausbildung einer Si-Saatschicht mit Körnern, die eine (1 1 1 )- Vorzugsorientierung aufweisen, die dann im Folgeschritt vergrößert werden und die Information über ihre Orientierung auf die Absorberschicht übertragen.
Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung des mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Dünnschicht-Si-Absorbers, aufweisend mindestens eine texturierte Si-Absorberschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 15 μιη, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)- Vorzugsorientierung, zur Herstellung einer Solarzelle, wobei die Solarzelle als p/n- oder n/p-Struktur und/oder in einer Substrat- oder Superstrat- Konfiguration ausgebildet ist und/oder einen diffundierten Emitter oder einen Hetero-Emitter aufweist.
Auf einem Dünnschicht-Si-Absorber mit (1 1 1 )- Vorzugsorientierung, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, kann bespielsweise eine a-Si- Emitterschicht deponiert werden. Die dabei entstehende ideale (plane)
Oberfläche ist vorteilhaft für die nachfolgenden Prozessierungsschritte für eine Dünnschicht-Solarzelle.
Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen Fig.1 : schematisch die Morphologie der Körner in der Saatschicht in
Abhängigkeit der Anzahl der Laserschüsse während des ersten Kristallisationsschrittes;
Fig.2: Texturanteil in der Saatschicht nach Kristallisationin Abhängigkeit der Dicke der aufgebrachten a-Si-Schicht.
Auf ein Glassubstrat wird eine 30 nm dicke amorphe Si-Schicht als
Saatschicht aufgebracht. Diese Saatschicht wird mittels Laser kristallisiert, wobei die Schicht einem gepulsten UV-Excimer Laser mit einer
homogenisierten Strahlfläche ca. 100 Laserpulsen mit einer Pulslänge von 5 bis 250 ns ausgesetzt wird. Die Laserfluence wird ensprechend der
Bedingungen für ein„Super Lateral Growth" (SLG) gewählt. In Fig. 1 ist schematisch die Morphologie der Körner in der Saatschicht in Abhängigkeit der Anzahl der Laserpulse dargestellt. Beim ersten Puls schmilzt die komplette a-Si-Schicht auf, der zweite Puls trifft dann auf eine poly-Si-Schicht, es treten kleine ungeschmolzene Inseln an der Grenzfläche Substrat/Silizium auf. Diese Inseln dienen als Keime für die Körner und die Ausbildung der Struktur mit kleinen und zufällig orientierten Körnern. Wird die Anzahl der Laserpulse bis etwa 30 erhöht, ist das Ergebnis eine Mischung von zufällig orientierten und größeren, bevorzugt orientierten Körnern. Letztendlich entstehen bei diesem Kristallisationsprozess nach 100 Pulsen Si-Körner mit einer (100 )- Vorzugsorientierung. Anschließend wird mittels CVD-Verfahren auf diese Saatschicht eine 12 m dicke amorphe Absorberschicht
abgeschieden. Mittels eines Elektronenstrahls wird diese Schicht nun aufgeschmolzen, um die (100)-orientierten Körner zu vergrößern. Der
Elektronenstrahl wird mit einer Ziehgeschwindigkeit größer 6 mm/s über die Probe geführt, der Energieeintrag beträgt 0,4 bis 1 ,6 J/mm2. Wenn die
Schmelze erstarrt, wird die Gitterinformation der kristallisierten Saatschicht genutzt, um über die gesamte Dicke der Absorberschicht die (100)- Vorzugsorientierung zu erhalten. Da die Absorberschicht eine genügend große Dicke hat, werden nun Lichteinfangstrukturen in Form von
Zufallspyramiden geätzt. Dafür wird der für Wafer-Solarzellen bekannte Standard prozess einer KOH/Isopropanol-Lösung verwendet. Die nach der KOH-Texturierung vorliegende Oberfläche bietet nun optimale Bedingungen für die nachfolgende Deposition eines Heterostruktur-Emitters aus amorphem Silizium (a-Si:C). Diese a-Si:H-Schicht wird in einer Dicke von ca. 5 nm aufgebracht. Letztendlich wird eine TCO-Schicht in einer Dicke von ca. 80 nm darauf abgeschieden, womit die Solarzelle komplettiert ist.
In Fig. 2 wird das bereits erwähnte überraschende Ergebnis deutlich, dass bei der Kristallisation der auf das Substrat aufgebrachten a-Si-Schicht Si-Körner einer (100)-Vorzugsorientierung entstehen - unabhängig von der Art des Abscheidens der a-Si-Schicht und vom darunter liegenden Substrat, jedoch abhängig von der Dicke der aufgebrachten A-Si-Schicht. Soll die Saatschicht die (100)-Vorzugsorientierung aufweisen, ist die a-Si-Schicht in einer Dicke kleiner 40 nm aufzubringen. Ist diese Schicht dicker als 40 nm, weisen die entstehenden Si-Körner eine (111 )-Vorzugsorientierung auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht mit mindestens den Verfahrensschritten
- Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a- Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm aufgebracht und anschließend derart in einem Schmelzverfahren kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)- Vorzugsorientierung ausgebildet werden,
- anschließende Abscheidung einer 5 μιτι bis 15 μιτι dicken a-Si- Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der kristallisierten Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer
Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der
Saatschicht, ausgebildet werden, und
- abschließende Strukturierung der Oberfläche der die vergrößerten Körner mit (100)-Vorzugsorientierung aufweisenden Si-Absorberschicht.
2. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht mit mindestens den Verfahrensschritten
- Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a- Si-Schicht mit einer Dicke > 40 nm aufgebracht und anschließend derart in einem Schmelzverfahren kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (111 )-Vorzugsorientierung ausgebildet werden,
- anschließende Abscheidung einer 5 μιτι bis 15 m dicken a-Si-
Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der kristallisierten Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer
Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der
Saatschicht, ausgebildet werden, und
- abschließende Strukturierung der Oberfläche der die vergrößerten Körner mit (111 )-Vorzugsorientierung aufweisenden Si-Absorberschicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die a-Si-Saatschicht mittels CVD oder PVD aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeich net, dass
das Schmelzverfahren zur Kristallisation der Saatschicht und Ausbildung von Körnern mit Vorzugsorientierung in dieser Saatschicht mit einem CW- oder gepulsten Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl durchgeführt wird
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die a-Si-Absorberschicht mittels Elektronenstrahl oder Laserstrahl kristallisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeich net, dass
als Zwischenschicht eine Schicht aus amorphem Silizium-Kohlenstoff oder Silizuimcarbid Si1-xCx mit 0 < x < 1 oder aus Sliziumnitrid (SiNx) aufgebracht wird, wahlweise undotiert oder mit mindestens einem der folgenden Elemente dotiert: Bor, Phosphor, Aluminium, Antimon, Arsen oder Indum.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad urch gekennzeichnet, dass
als Substrat eine Metallfolie, insbesondere eine Edelstahlfolie, verwendet wird, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W oder Ta.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad urch gekennzeichnet, dass
als Substrat eine Keramik verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad urch gekennzeichnet, dass
die Strukturierung der Oberfläche der kristallisierten Absorberschicht mittels eines Ätzprozesses mit einer KOH-/lsopropanol-Lösung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad urch gekennzeichnet, dass
die strukturierte Oberfläche der kristallisierten Absorberschicht nachgereinigt und/oder planarisiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Kristallisation der Saatschicht und der Absorberschicht mittels
Elektronenstrahl die Temperatur der aufgeschmolzenen Schicht durch Messung der Farbtemperatur des Elektronenstrahl-Auftreffpunktes ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Aufbringen einer a-Si Schicht zur Erzeugung einer Saatschicht eine zusätzliche als Diffusionsbarriere und/oder Kontaktschicht und/oder
Dotierstoffquelle wirkende Schicht mit einer Dicke zwischen 5 nm und 500 nm auf dem Substrat abgeschieden wird.
13. Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 pm und 15 pm ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)- Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der
Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte: - Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer < 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Saatschicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausgebildet werden, - anschließende Abscheidung einer 5 μητι bis 15 μητι dicken a-Si- Absorberschicht auf die grobkörnige Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht
vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausgebildet werden,
- abschließende Texturierung der die vergrößerten Körner mit (100)- Vorzugsorientierung aufweisenden Si-Absorberschicht.
14. Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μητι und 15 pm ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (111 )-
Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der
Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten
Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer > 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Saatschicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (111 ) ausgebildet werden,
- anschließende Abscheidung einer 5 μητι bis 15 pm dicken a-Si- Absorberschicht auf die grobkörnige Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht
vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (111 ) ausgebildet werden,
- abschließende Texturierung der die vergrößerten Körner mit (111 )- Vorzugsorientierung aufweisenden Si-Absorberschicht.
15. Verwendung des mit dem Verfahren nach mindestens einem der
Ansprüche 1 und 3 bis 12 hergestellten Dünnschicht-Si-Absorbers,
aufweisend mindestens eine texturierte Si-Absorberschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 15 μητι, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, zur Herstellung einer Solarzelle, wobei die
Solarzelle als p/n- oder n/p-Struktur und/oder in einer Substrat- oder
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